Udvidelse af kapaciteten af ​​fleksibel energilagring

Noget elektronik kan bøjes, vrid og stræk i bærbare skærme, biomedicinske applikationer og bløde robotter. Mens disse enheders kredsløb er blevet mere og mere bøjelige, batterierne og superkondensatorerne, der driver dem, er stadig stive. Nu, forskere i ACS' Nano bogstaver rapportere en fleksibel superkondensator med elektroder lavet af rynket titaniumcarbid - en type MXene nanomateriale - der bevarede sin evne til at lagre og frigive elektroniske ladninger efter gentagne udstrækninger.

En stor udfordring, strækbar elektronik skal overvinde, er den stive og ufleksible karakter af deres energilagringskomponenter, batterier og superkondensatorer. Superkondensatorer, der bruger elektroder fremstillet af overgangsmetalkarbider, carbonitrider eller nitrider, kaldet MXenes, har ønskværdige elektriske egenskaber til bærbare fleksible enheder, såsom hurtig op- og afladning. Og den måde, 2D MXenes kan danne flerlags nanoark, giver et stort overfladeareal til energilagring, når de bruges i elektroder. Imidlertid, tidligere forskere har været nødt til at inkorporere polymerer og andre nanomaterialer for at forhindre, at disse typer elektroder går i stykker, når de bøjes, hvilket reducerer deres elektriske lagerkapacitet. Så, Desheng Kong og kolleger ønskede at se, om deformering af en uberørt titaniumcarbid MXene-film til harmonika-lignende kamme ville bevare elektrodens elektriske egenskaber og samtidig tilføje fleksibilitet og strækbarhed til en superkondensator.

Forskerne disintegrerede titanium-aluminiumcarbidpulver til flager med flussyre og fangede lagene af ren titaniumcarbid-nanoplader som en groft tekstureret film på et filter. Derefter placerede de filmen på et stykke forstrakt akrylelastomer, der var 800 % af dens afslappede størrelse. Da forskerne frigav polymeren, det krympede til sin oprindelige tilstand, og de vedhæftede nanoark krøllede sammen til harmonika-lignende rynker.

I indledende forsøg, holdet fandt ud af, at den bedste elektrode var lavet af en 3 µm tyk film, der gentagne gange kunne strækkes og slappes af uden at blive beskadiget og uden at ændre dens evne til at lagre en elektrisk ladning. Holdet brugte dette materiale til at fremstille en superkondensator ved at klemme en polyvinyl(alkohol)-svovlsyregelelektrolyt mellem et par af de strækbare titaniumcarbidelektroder. Enheden havde en høj energikapacitet sammenlignelig med MXene-baserede superkondensatorer udviklet af andre forskere, men den havde også ekstrem strækbarhed op til 800 % uden at nanoarkene revnede. Den bibeholdt cirka 90 % af sin energilagringskapacitet efter at være blevet strakt 1, 000 gange, eller efter at være blevet bøjet eller snoet. Forskerne siger, at deres superkondensatorens fremragende energilagring og elektriske stabilitet er attraktiv for strækbare energilagringsenheder og bærbare elektroniske systemer.